Композиционные материалы на основе бактериальной целлюлозы с экологически ориентированными функциями, обеспечивающими химическую и биологическую безопасность

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-44-01003

НазваниеКомпозиционные материалы на основе бактериальной целлюлозы с экологически ориентированными функциями, обеспечивающими химическую и биологическую безопасность

Руководитель Ефременко Елена Николаевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №103 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова Компьютерное моделирование, бактериальная целлюлоза, гуминовые вещества, ферменты, синтетические полимеры, композиты, токсины, очистка воды, химическая и биологическая безопасность

Код ГРНТИ34.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В данном Проекте планируется разработка ряда принципиально новых каталитически функционализированных композитных материалов на основе БЦ, при этом в качестве партнеров в таких композициях впервые будут рассмотрены гуминовые вещества и полимеры, широко обсуждаемые сегодня в качестве источников появления микропластиков. Использование таких партнеров направлено на получение материалов с повышенным потенциалом для формирования различных межмолекулярных взаимодействий с ферментами, которыми запланирована функционализация сформированных композитов для придания им каталитических свойств. Это позволит, в свою очередь, использовать биокаталитически активные материалы, полученные на основе прочной БЦ, для решения ряда экоориентированных задач, связанных с необходимостью повышения химической и биологической безопасности прежде всего в России и Индии, как одной из основных составляющих частей стратегии развития национальной безопасности каждой из стран. Оценка целесообразности сочетания определенных полимерных кандидатов для создания комбинаций при разработке композитов, а также отбор ферментов из числа оксидоредуктаз и гидролаз, способных максимально сохранить свои каталитические характеристики при их введении в создаваемые композиты будут осуществлены с использованием методов мультимасштабного компьютерного моделирования. Формирование самих композитов планируется предпринять как на стадии биосинтеза БЦ, так и на стадии её постсинтетической модификации с использованием разных биокатализаторов этого синтеза, причем как в суспензионном, так и в иммобилизованном виде. Это обеспечит, как ожидается, возможность варьирования пористости и степени кристалличности основной наноцеллюлозной матрицы. Такие подходы к созданию подобных композитов будут применены впервые в сочетании с партнерами, выбранными для БЦ. Композитные фермент-содержащие материалы, предлагаемые к разработке в проекте, ориентированы на возможность практического применения без нанесения ущерба экологии для решения широкого круга задач, связанных с ферментативной деградацией и детоксификацией загрязнителей, присутствующих в разных средах. Одним из основных направлений практического применения композитов предполагается очистка водных и других сред от органических загрязнителей, в частности, гормонов и производных кумарина, в том числе варфарина, а также биотоксинов, которые синтезируются фототрофными микроорганизмами (загрязняющими акватории пресных и соленых водных ресурсов) и мицелиальными грибами (загрязняющими сельскохозяйственное сырье и продукцию). Планируется, что композиты, благодаря функционализации разными ферментами, а также их комбинациями, помимо нейтрализации токсинов микроводорослей и микотоксинов грибов будут обладать свойствами подавления их роста через нарушение действия кворумных систем клеток этих микроорганизмов. Представляется, что наиболее перспективным и легко реализуемым направлением практического применения новых композитов является их использование в усовершенствованных технологиях очистки воды, в том числе в создании образцов фильтров индивидуального пользования, пригодного для обработки воды в экстренных ситуациях (заражении воды) и в местах, удаленных от станций очистки воды (экспедиционные и туристические варианты). Потребность мирового рынка в этом сегменте продуктов постоянно растет. Таким образом, в проекте запланировано получение результатов в разработках: - новых композитных материалов, с характеризацией их свойств; - способов их функционализации различными ферментами, что составляет безусловную новизну этих результатов; - способов применения каталитически активных композитов. При изучении условий и методов применения композитов в качестве результатов планируется раскрытие их прикладного потенциала в детоксификации разных сред с демонстрацией снижения экотоксичности получаемых образцов. В перспективе в результате реализации проекта будут получены новые знания и подходы к получению других новых композитов, которые при их дальнейшем развитии смогут найти применение не только в создании новых композитов для систем очистки воды, но и в условиях, связанных с необходимостью очистки от токсикантов других сред. Кроме того, в результате тесного научного взаимодействия с партнерами из Индии, будут существенно расширены объемы и вариативность получаемых результатов, которые будут систематизированы и обобщены для выявления общих закономерностей в методах получения композитных материалов с направленно регулируемыми свойствами. Эффективное международное сотрудничество и равноправное партнерство, позволяющее объединить две научные команды и две дороги в одну сторону, направленную на решение общей важной проблемы – повышение химико-биологической безопасности, представляется одним из важнейших результатов этого проекта. Обмен получаемыми образцами проводимых разработок и появление совместных публикаций в высокорейтинговых журналах должны подтвердить уровень сложившегося научного взаимодействия. Поскольку проект обладает явно выраженной междисциплинарностью, базируется на знании современного уровня развития науки в выбранном направлении и сочетании комбинированных знаний и опыта исполнителей из двух стран в области полимерной химии, физической химии, химической энзимологии, современных методов компьютерного моделирования полимерных молекул, экологии, биотехнологии, биохимии, микробиологии, то следует ожидать получения оригинальных результатов, соответствующих мировому уровню и даже превосходящих его.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основные результаты, которые были получены при выполнении работ по Проекту в отчетный период обладают научной новизной и практической значимостью, которые заключаются в следующем: - впервые с применением широкого спектра методов компьютерного моделирования разработана и применена на практике мультимасштабная модель, которая описывает ключевые характеристики взаимодействия бактериальной целлюлозы (БЦ) и микропластиков, воспроизводит кристалличность и фибриллярную морфологию, предсказывает адсорбцию и межфазную адгезию, а также позволяет выбирать оптимальные полимеры для композитов. Установлено, что при повышении значений pH и температуры увеличивается подвижность поверхностных фрагментов БЦ и, следовательно, усиливается способность БЦ к взаимодействию с полярными полимерами (PLA, PVA, PET); - впервые с применением методов мультимасштабного компьютерного моделирования установлены четкие зависимости морфологии композита от типа гуминовых веществ и условий среды (ионной силы, рН), в которых происходит формирование композитов. Для получения композитов с максимальным покрытием и активной поверхностью требуется создавать условия, способствующие полной ионизации, и использовать гуминовые или фульвовые кислоты, тогда как для получения материалов с наноразмерными включениями-дефектами требуется создавать условия с низкой ионной силой и рекомендовано использовать гумат калия; - впервые разработан и успешно реализован на практике метод получения композитных материалов на основе БЦ в процессе её биосинтетического получения в средах, содержащих различные добавки в виде гуминовых и гуминоподобных веществ, которые в определенных концентрациях способны ингибировать метаболизм продуцентов ключевого полимера; - впервые рассчитаны модели взаимодействия токсинов фототрофных микроорганизмов с поверхностью ферментов при рН 7,5 и 8,3 и выделен после экспериментов in silico и in vitro фермент – субтилизин, который может стать альтернативой микроцистиназе в гидролизе и детоксикации токсинов, являющихся субстратом для этого известного фермента; - впервые получены модели взаимодействия токсинов фототрофных микроорганизмов с ферментами в присутствии гуминовых веществ и проанализированы характеристики взаимодействий, анализ которых позволил установить, что гуминовые вещества не оказывают какого-либо значительного влияния на взаимодействие между токсинами и этими ферментами; - впервые с использованием молекулярного докинга проведено последовательное моделирование взаимодействия ферментов с известной или предполагаемой гидролитической активностью с широким спектром лигандов, включающим β-лактамные и макролидные антибиотики, гуминовые соединения, эстроген, молекулы кумарина, представителей класса статинов, выявлены ферменты, стабильно проявляющие высокий аффинитет и специфичность к целевым соединениям, на основе совокупности данных in silico и in vitroAiiA отобран в качестве ключевого кандидата для включения в композиционные материалы на основе бактериальной целлюлозы с целью деструкции соединений, имеющих медицинское предназначение и присутствующих в сточных водах, подлежащих ремедиации. Практическая значимость результатов, полученных в работе, заключается в том, что разработанная мультимасштабная модель, которая описывает ключевые характеристики взаимодействия БЦ и микропластиков, воспроизводит кристалличность и фибриллярную морфологию, предсказывает адсорбцию и межфазную адгезию и позволяет выбирать оптимальные полимеры для композитов, а также разработанный метод получения композитных материалов на основе бактериальной целлюлозы в процессе её биосинтетического получения при культивирования клеток Komagataeibacter xylinum могут применяться в других научно-исследовательских работах, связанных с получением новых материалов. Получены новые образцы перспективных композитов на основе БЦ/декстрана. Для выполнения общего плана работ нами были проведены частично работы, которые запланированы в Проекте на 2-ом году его реализации. Они касались изучения эффективности введения в состав полученных композитов, полученных российской стороной, различных гуминовых веществ при разных значениях рН. Было проведено определение влияния условий и дополнительных добавок в среду, приготовленную для экспозиции уже сформированных композитов, на их свойства. Такой подход к модификации композитов на основе БЦ является более целесообразным, так как позволяет ввести в состав композита большую концентрацию гуминовых веществ и избежать ингибирования биосинтеза этого композита при введении аналогично высоких концентраций гуминовых веществ в среду для культивирования продуцентов. Было установлено, что присутствие таких же концентраций ГВ в среде в процессе биосинтеза БЦ снижает метаболическую активность клеток и выход полимера. Эти результаты формируют еще одно эффективное решение, найденное в этом Проекте, по получению перспективных образцов новых композитов на основе БЦ. Результаты, полученные при выполнении работ по Проекту были опубликованы в двух журналах Q1-квартиля, представлены на международных научных конференциях, а также адаптированы и представлены в виде мастер-класса «Чистая вода своими руками: как отфильтровать воду доступными способами» на XX Международном фестивале НАУКА 0+ в рамках программы РНФ в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова. Авторы мастер-класса – участники Проекта были отмечены благодарностью РНФ за научно-просветительскую деятельность (лауреаты Ефременко Е.Н., Сенько О.В., Асланлы А.Г., Домнин М.В., Чумаченко И. В.).Трансляция мастер класса и информация о нем была размещена в телеграмм-каналах РНФhttps://t.me/RSF_news и Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова https://t.me/chemistryofmsu.

Публикации

1. Ефременко Е., Степанов Н., Асланлы А., Маслова О., Чумаченко И., Сенко О., Бхаттачарья А. Changed characteristics of bacterial cellulose due to its in situ biosynthesis as a part of composite materials Polysaccharides, Vol.6 (год публикации - 2025)

2. Сенько О.В., Степанов Н.А., Асланлы А.Г., Чумаченко И.В., Домнин М.В., Бхаттачарья A., Ефременко Е.Н. Оценка воздействия микропластиков на рост клеток различных микроорганизмов Новые материалы и технологии для устойчивого развития: материалы IV Международной научной конференции. 23-24 сентября 2025 г. – Москва: ФГБОУ ВО «РЭУ им. Г.В. Плеханова»,, с. 182-185 (год публикации - 2025)

3. Сенько О.В., Степанов Н.А., Асланлы А.Г., Ефременко Е.Н. Bioluminescent ATP-Metry in Assessing the Impact of Various Microplastic Particles on Fungal, Bacterial, and Microalgal Cells Microplastics (MDPI), Vol.4, no. 4, 72 (год публикации - 2025)
10.3390/microplastics4040072